פתרון ניווט אינרציאלי בסיבים אופטיים באוויר

מערכת ניווט דיוק גבוהה היא ציוד הליבה של בקרת ניווט מטוסים והתקפה מדויקת של מערכת הנשק שלו.הסכימות המרכזיות שלה כוללות תוכניות פלטפורמה ותכניות strapdown. עם הפיתוח של טכנולוגיית אינרציה סטראפדאון וג'ירו אופטי, נעשה שימוש נרחב ב-strapdown בתחום המוטס עם יתרונותיו של אמינות גבוהה, קל וגודל קטן, צריכת חשמל נמוכה ועלות נמוכה^[1-4].כיום, מערכת ניווט strapdown מוטסת היא שילוב של מערכת ניווט ג'יירו strapdown בלייזר ומערכת ניווט ג'יירו strapdown בסיבים אופטיים. ביניהם, LN-100G של Northrop Grumman, H-764G לייזר ג'יירו strapdown מערכת ניווט LN-251 של Northrop Grumman. מערכת ניווט אופטית gyro strapdown הייתה בשימוש נרחב בצי מטוסי הקרב האמריקאי^[1].Northrop Grumman Company פיתחה את מערכת הניווט LN-251 למסוק עם הסמל החשוב של ג'ירו סיבים אופטיים דיוק גבוה, ולאחר מכן פיתחה את ה-LN-260 כדי להתאים לניווט במטוסים. ה-LN-260 נבחר על ידי חיל האוויר האמריקני עבור שדרוג אוויוניקה של צי הקרב הרב-לאומי F-16. לפני הפריסה, מערכת ה-LN-260 נוסתה כדי להשיג דיוק מיקום של 0.49n מייל (CEP), שגיאת מהירות לכיוון צפון של 1.86ft/s (RMS), ו- שגיאת מהירות לכיוון מזרח של 2.43 רגל/שנייה (RMS) בסביבה דינמית מאוד. לכן, מערכת הניווט האופטית אינרציאלית יכולה לעמוד במלוא הדרישות התפעוליות של המטוס מבחינת יכולת ניווט והכוונה^[1].

בהשוואה למערכת ניווט ג'יירו strapdown בלייזר, למערכת ניווט ג'יירו strapdown עם סיבים אופטיים יש את היתרונות הבאים: 1) היא אינה זקוקה לריצוד מכני, מפשטת את מבנה המערכת ואת המורכבות של עיצוב הפחתת רעידות, מפחיתה את המשקל וצריכת החשמל ומשפרת את אמינות מערכת הניווט; 2) ספקטרום הדיוק של ג'ירו סיבים אופטיים מכסה רמה טקטית עד רמה אסטרטגית, ומערכת הניווט המתאימה שלה יכולה גם ליצור ספקטרום מערכת ניווט מקביל, המכסה הכל ממערכת גישה למערכת הניווט לטווח ארוך- מטוסי סיבולת;3) נפח גירוסקופ סיבים אופטיים תלוי ישירות בגודל טבעת הסיבים.עם היישום הבוגר של סיבים בקוטר דק, הנפח של גירוסקופ סיבים אופטיים באותו דיוק הולך וקטן, והתפתחות האור והמזעור היא מגמה בלתי נמנעת.

ערכת עיצוב כוללת

מערכת הניווט הנישא בסיבים אופטיים gyro strapdown מתחשבת במלואה את פיזור החום וההפרדה הפוטואלקטרית של המערכת, ומאמצת את ערכת "שלושת החללים"^[6,7], כולל חלל IMU, חלל אלקטרוני וחלל כוח משני.חלל IMU מורכב ממבנה גוף IMU, טבעת חישת סיבים אופטיים ומד תאוצה גמיש קוורץ (קוורץ פלוס מטר); החלל האלקטרוני מורכב מתיבה פוטואלקטרית ג'יירו, לוח המרת מטר, מחשב ניווט ולוח ממשק, ומדריך תברואה לוח; חלל הכוח המשני כולל מודול כוח משני ארוז, מסנן EMI, קבל פריקת טעינה. התיבה הפוטואלקטרית הג'ירו וטבעת הסיבים האופטיים בחלל ה-IMU מהווים יחד את רכיב הג'ירו, ואת מד התאוצה הגמיש של קוורץ ולוחית ההמרה של המד. ביחד מהווים את רכיב מד התאוצה^[8].

הסכימה הכוללת מדגישה את ההפרדה של רכיבים פוטו-אלקטריים ואת העיצוב המודולרי של כל רכיב, ואת התכנון הנפרד של המערכת האופטית ומערכת המעגלים כדי להבטיח את פיזור החום הכולל ודיכוי הפרעות צולבות. על מנת לשפר את יכולת ניפוי הבאגים וטכנולוגיית ההרכבה של המוצר, המחברים משמשים לחיבור המעגלים בתא האלקטרוני, וטבעת הסיבים האופטיים ומד התאוצה בתא ה-IMU מנופות באגים בהתאמה.לאחר יצירת IMU, כל ההרכבה מתבצעת.

 לוח המעגלים בחלל האלקטרוני הוא קופסת הג'יירו הפוטואלקטרית מלמעלה למטה, כולל מקור אור הג'ירו, הגלאי ומעגל הפריקה הקדמי; לוח ההמרה הטבלה משלים בעיקר את ההמרה של אות הזרם של מד התאוצה לאות הדיגיטלי; פתרון ניווט ו מעגל הממשק כולל לוח ממשק ולוח פתרונות ניווט, לוח ממשק משלים בעיקר רכישה סינכרונית של נתוני מכשיר אינרציאלי רב-ערוצי, אינטראקציה עם אספקת חשמל ותקשורת חיצונית, לוח פתרונות ניווט משלים בעיקר ניווט אינרציאלי טהור ופתרון ניווט משולב; לוח ההדרכה משלים בעיקר את ניווט לווייני, ושולח את המידע ללוח פתרונות הניווט וללוח הממשק להשלמת הניווט המשולב. ספק הכוח המשני ומעגל הממשק מחוברים דרך המחבר, ולוח המעגלים מחובר דרך המחבר.

טכנולוגיות מפתח

1. ערכת עיצוב משולבת

מערכת הניווט בסיבים אופטיים בסיבים אופטיים מיישמת את שש דרגות החופש של זיהוי תנועה של המטוס באמצעות שילוב של חיישנים מרובים. ניתן לשקול מד תאוצה שלושה צירים ומד תאוצה של שלושה צירים לעיצוב אינטגרציה גבוה, להפחית את צריכת החשמל, נפח ומשקל. עבור הסיבים האופטיים רכיב ג'ירו, הוא יכול לחלוק את מקור האור כדי לבצע את תכנון האינטגרציה התלת צירים; עבור רכיב מד התאוצה, משתמשים בדרך כלל במד תאוצה גמיש קוורץ, וניתן לתכנן את מעגל ההמרה רק בשלוש דרכים. יש גם בעיית זמן סנכרון ברכישת נתונים מרובה חיישנים.לעדכון גישה דינמי גבוה, עקביות זמן יכולה להבטיח את הדיוק של עדכון הגישה.

2. עיצוב הפרדה פוטו-אלקטרי

הג'ירו סיבים אופטיים הוא חיישן סיב אופטי המבוסס על אפקט סגנאק למדידת קצב זוויתי. ביניהם, טבעת הסיבים היא מרכיב המפתח במהירות הזוויתית הרגישה של ג'ירוסקופ הסיבים.הוא כרוך בכמה מאות מטרים עד כמה אלפי מטרים של סיבים. אם שדה הטמפרטורה של טבעת הסיב האופטי משתנה, הטמפרטורה בכל נקודה של טבעת הסיב האופטי משתנה עם הזמן, ושתי אלומות גל האור עוברות דרך הנקודה בזמנים שונים (למעט הנקודה האמצעית של סליל הסיב האופטי), הם חווים נתיבים אופטיים שונים, וכתוצאה מכך הפרש פאזה, לא ניתן להבחין בהזזת פאזה לא הדדית מהיסט פאזה של Sagneke שנגרם על ידי סיבוב. על מנת לשפר את הטמפרטורה יש להרחיק את הביצועים של גירוסקופ הסיבים האופטיים, מרכיב הליבה של הגירוסקופ, טבעת הסיבים, ממקור החום.

עבור הגירוסקופ המשולב הפוטואלקטרי, ההתקנים הפוטואלקטריים והמעגלים של הגירוסקופ קרובים לטבעת הסיבים האופטיים.כאשר החיישן פועל, הטמפרטורה של המכשיר עצמו תעלה במידה מסוימת, ותשפיע על טבעת הסיבים האופטיים באמצעות קרינה והולכה. על מנת לפתור את השפעת הטמפרטורה על טבעת הסיב האופטי, המערכת משתמשת בהפרדה פוטו-אלקטרית של גירוסקופ הסיבים האופטיים, כולל מבנה נתיב אופטי ומבנה מעגל, שני סוגים של הפרדה עצמאית של מבנה, בין הסיב לחיבור קו מוליך הגל. הימנע מהחום מקופסת מקור האור המשפיע על רגישות העברת החום של הסיבים.

3. עיצוב זיהוי עצמי בהפעלה

מערכת ניווט סיבים אופטיים ג'יירו strapdown צריכה להיות בעלת פונקציית בדיקה עצמית של ביצועים חשמליים במכשיר האינרטי. מכיוון שמערכת הניווט מאמצת התקנת strapdown טהורה ללא מנגנון טרנספוזיציה, הבדיקה העצמית של התקני אינרציה מושלמת על ידי מדידה סטטית בשני חלקים, כלומר , בדיקה עצמית ברמת המכשיר ובדיקה עצמית ברמת המערכת, ללא עירור טרנספוזיציה חיצונית.

ERDI TECH LTD פתרונות לטכניקה ספציפית